JPH10221423A - 光到来方向検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 迅速に光到来方向を求め、光軸合わせの時間
を短縮することができる光到来方向検出装置を提供す
る。 【解決手段】 光信号２の到来方向を検出する光到来方
向検出装置において、素子保持基台６と、水平方向及び
仰角方向へそれぞれ略９０度の開き角度で空間を臨むこ
とができるように、各光検出素子５Ａ〜５Ｄを遮光面１
２，１３，１４で区画して前記素子保持基台６に設けら
れた４つの光検出素子５Ａ〜５Ｄとを有するように構成
する。これにより、自動的に、且つ迅速に光到来方向を
検出して光軸合わせを行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ローカルエリアネ
ットワーク（ＬＡＮ）等の伝送信号を空間内において光
信号として伝える時に、その光信号の到来方向を検出す
る光到来方向検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、インテリジェンスビル内のよう
にある程度の限られた空間内で情報の送受信を円滑に行
なうために、光ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔ
ｗｏｒｋ）が採用される傾向にある。この光ＬＡＮにお
いては、赤外光などの光を用いて情報の伝達が行なわ
れ、例えば天井に設けた送受信部に対して、各自の机な
どにおいたノードとしての送受信部との間で光信号の送
受信を行ない、天井に設けた送受信部は、他の送受信部
との間でリンクされている。

【０００３】このように、空間の２点間で光による通信
を行なう場合には、まず、２点間の発光素子と受光素子
の光軸を合わせる必要がある。特に、赤外線等の不可視
光を通信に使う場合には、光軸調整は数１０度以内の比
較的狭い許容範囲に限られるが、１０度以下の光軸調整
を必要とする場合には、光到来方向を知るための検出器
を搭載した光到来方向検出装置による自動調整に頼らざ
るを得ない。従来の光軸合わせの一例として図１９及び
図２０に示す方法が知られている。

【０００４】１は天井部に設けた発光素子を内蔵する送
受信部であり、これより空間の全ての方向、すなわち天
井部より下方にむけて光信号２を出射し、この光信号２
を例えば机上等に置いた光到来方向検出装置３で検出す
る。そして、この検出装置３で得られた光到来方向に対
して、この検出装置３に併設された図示しない送受信機
の光送受信部を方向付けするようになっている。また、
この検出装置自体に光送受信部を備えるものもある。

【０００５】上記検出装置３は、レンズ、または反射鏡
で光信号２を絞り、これをフォトトランジスタやフォト
ダイオード等の光検出器により検出するようになってい
るが、この場合、検出装置３の光軸に光信号２が合った
時のみ光信号を検出して出力することができる。従っ
て、一回の走査で検出できる範囲が非常に狭く、開き角
度で１０度以下である。そのため、図２０に示すように
検出装置３を水平方向に３６０度回転しつつ、回転する
毎に仰角方向に光軸の角度を図１９に示すように変化さ
せ、これを数回繰り返すことにより、検出ピーク点を求
めて天井部の送受信部１との間で互いの光軸合わせを行
なうようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、光到来方
向を検出するために検出装置３を回転する毎に仰角方向
へ数回往復させざるを得ない理由は、次の通りである。
すなわち、検出装置３は一つのレンズ、または反射鏡の
焦点付近に情報検出と光到来方向検出のための受光素子
を置いており、情報検出のための受光範囲は、外乱光を
減少させるのに狭い方がよいが、光到来方向を検出する
には広い方がよい。一個のレンズ、または反射鏡で両方
の要求を満たすことは一般的にはできないため、ここで
は情報検出の精度を高める方を優先し検出範囲を狭くし
ている。そして、空間に対する走査回数を多くすること
で、光到来方向を検出する目的を達成している。しかし
ながら、この場合には上述のように空間に対する走査回
数が多くなるので、その分サーチ時間が長くなってしま
うという問題があった。

【０００７】本発明は、上記の問題点に着目してなされ
たものであり、その目的は、迅速に光到来方向を求め、
光軸合わせの時間を短縮することができる光到来方向検
出装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、光信号の到来方向を検出する光到来方
向検出装置において、水平方向及び仰角方向へそれぞれ
略９０度の開き角度で空間を臨むことができるように、
各光検出素子を遮光面で区画する素子保持基台を有する
ように構成したものである。

【０００９】このように、光信号を検出する４つの光検
出素子と、それを中心として半球状の全ての仰角の位置
で水平方向の開き角度を略９０度とし、その角度より外
側からの光はそれぞれの遮光面で遮断されるので、半球
状のどの位置にある信号光源も検出することができる。
この光検出素子を保持する素子保持基台を特定の１点に
向ける方法は、４個の光検出素子を水平方向に９０度ず
つずらし、その全ての出力が等しくなる位置を探すこと
である。全ての出力が等しくなるのは全ての光検出素子
が臨む方向に信号光源が存在することである。

【００１０】このような移動を可能とするために、水平
面内において互いに直角する水平旋回軸に関して独立し
て素子保持基台を回転動作する回転駆動機構を用い、制
御手段は上記４つの光検出素子の出力に基づいて回転駆
動機構を制御する。この場合、基台の中心に対して対向
するようにして配置された２対の光検出素子の出力がそ
れぞれ同じになるように素子保持基台を動かせば、その
方向が光到来方向となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る光到来方向
検出装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図
１は本発明の光到来方向検出装置を示す概略構成図、図
２は図１に示す光到来方向検出装置を示す構成図、図３
は素子保持基台を示す斜視図、図４は光検出素子の取り
付け状態を示す図、図５は光到来方向検出装置の制御手
段を示すブロック構成図である。図１に示すようにこの
光到来方向検出装置４は、天井部に設けた送受信部（光
源）１からの光信号２を受光する４つの光検出素子５Ａ
〜５Ｄと（図１においては２つの光検出素子５Ａ、５Ｂ
のみ記す）、これらの素子５Ａ〜５Ｄを保持する素子保
持基台６を有している。この素子保持基台６は、これを
水平面内において直交する２つの水平旋回軸１８、２１
を用いて独立的に回転可能とする回転駆動機構７により
支持されている。

【００１２】この回転駆動機構７は、例えばマイクロコ
ンピュータ等を含む制御手段８によりその駆動が制御さ
れ、上記４つの光検出素子５Ａ〜５Ｄの出力に基づいて
実際の制御動作が行なわれる。尚、この素子保持基台６
には、光信号を受光してそのデータをパーソナルコンピ
ュータ等のデータ作成処理装置Ｄに送出するデータ用光
受光器９及びデータ作成処理装置Ｄからのデータを光信
号として天井の送受信部１に対して送信する光信号送信
器１０が一体的に設けられている。そして、上記天井部
の送受信部１は、他の図示しない同様な送受信部との間
で接続されて、他のパーソナルコンピュータ等との間で
データの伝送ができるようになされており、全体として
光ＬＡＮを構成している。

【００１３】図２及び図３に示すように、上記素子保持
基台６は一辺が略３０ｍｍ程度の四角形状のブロック体
よりなり、その４つの角部を略９０度の角度でもって内
側中心方向に削り取ったような形状に成形されている。
そして、このブロック形状の基台６の４隅の各底部に、
上記４つの光検出素子５Ａ〜５Ｄを配置している。そし
て、この基台６は底板１１上に固定されている。

【００１４】図４は４つの光検出素子５Ａ〜５Ｄの内の
１つ、ここでは素子５Ａの部分を拡大して示している
が、他の３つの素子５Ｂ〜５Ｄも同様に構成されてい
る。略９０度の角度で削り取られたような基台６の両側
面及び底板１１がそれぞれ光を遮断する遮光面１２、１
３、１４として構成される。そして、この３つの遮光面
１２、１３、１４が交わる頂点１５を背にして、且つ底
部の遮光面１４に対して略４５度の角度を形成するよう
に光検出素子５Ａが設けられる。従って、この光検出素
子５Ａからは、水平方向に対しては略９０度、また上下
方向すなわち仰角方向に対しても略９０度の開き角で空
間を臨むことができ、この開き角内に存在する光源１か
らの光信号２を受光できるようになっている。尚、実際
には、開き角９０度の境界から僅かな角度だけ外れた位
置の光源からもこれがこの開き角内に存在する光源１の
照射エリアとオーバーラップした照射エリアを有してい
ることから、この光源１からの光を受光することがで
き、一方、この開き角の境界を外れた位置の光源からの
受光量が少ない時には、特に側面側の遮光面１２、１３
の開き角を、９０度よりも僅かに、例えば数度程度大き
く設定してその光を受光できるようにしてもよい。

【００１５】従って、このような光検出素子５Ａ〜５Ｄ
は、基台６の中心Ｏに対して、水平面内において９０度
ずつ位置ズレさせて設けているので、４つの光検出素子
５Ａ〜５Ｄで、光源１を含む半球面全体をカバーできる
ことになる。図２に戻って、回転駆動機構７について説
明すると、この機構７は、両端を上方へ直角に折り曲げ
てなる支持板１７を備えたベース本体１６を有してお
り、この支持板１７の上端には、図示しないベアリング
を有する一方のＸ方向水平旋回軸１８を介して四角形の
枠状になされた回転フレーム１９が矢印２０の方向へ回
転乃至旋回可能に設けられている。また、この回転フレ
ーム１９の上記Ｘ方向と直交するＹ方向の辺には、同じ
く図示しないベアリングを有する他方のＹ方向水平旋回
軸２１を介して、前記素子保持基台６を保持する底板１
１がその中心部にて矢印２２の方向に回転乃至旋回可能
に設けられている。

【００１６】また、上記回転フレーム１９の一方の側辺
１９Ａには、上記支持板１７と平行になる方向に、すな
わちＸ方向水平旋回転１８を介してＹ方向に沿うように
半円状のＹ方向用歯車２３がその歯面を下向きにして固
定されており、このＹ方向用歯車２３にはベース本体１
６に固定した例えばステップモータの如きＹ方向用モー
タ２４の回転軸に設けた小歯車２５が歯合されており、
このモータ２４を正逆回転させることにより、回転フレ
ーム１９を、Ｘ方向水平旋回軸１８を中心軸として矢印
２０の方向へ旋回し得るようになっている。また、上記
底板１１の他方の面１９Ｂには、取付具５０を介して上
記Ｙ方向水平旋回軸２１と直交する方向に、すなわちＸ
方向に沿って半円状のＸ方向用歯車２６がその歯面を下
向きにして固定されており、このＸ方向用歯車２６には
ベース本体１６に固定した例えばステップモータの如き
Ｘ方向用モータ２７の回転軸に設けた小歯車２８が歯合
されており、このモータ２７を正逆回転させることによ
り、素子保持基台６を保持する底板１１を、Ｙ方向水平
旋回軸２１を中心軸として矢印２２の方向へ旋回し得る
ようになっている。

【００１７】従って、光検出素子５Ａ〜５Ｄを保持する
素子保持基台６は、上記両モータ２４、２７の駆動を制
御することにより、その回転量が制御されて、その上面
中心Ｏを略半球面内の任意の方向に向けることが可能と
なる。ここで上面中心Ｏを通る中心軸に対して背中合わ
せで対向配置される一方の対の光検出素子５Ａ、５Ｃ
は、Ｙ方向水平旋回軸２１の方向に沿って配置されてお
り、他方の光検出素子５Ｂ、５Ｄは、Ｘ方向水平旋回軸
１８に沿って配置されている。

【００１８】図５は前記制御手段８の具体的構成の一例
を示しており、この大部分は例えばマイクロコンピュー
タにより構成される。この制御手段８は、切換信号発生
器２９からの信号により、順次同期してサイクリックに
切り換え可能になされた４つの入力端子を有する２つの
切換スイッチ３０、３１を有している。一方の切換スイ
ッチ３０の４つの入力端子には、上記４つの光検出素子
５Ａ〜５Ｄの各入力がそれぞれ接続されており、この出
力端子には、光信号の波長を通すバンドパスフィルタ３
２が接続される。このバンドパスフィルタ３２の出力に
は、整流器３３及びローパスフィルタ３４を順次接続し
て光検出素子５Ａ〜５Ｄからの入力信号のエンベロープ
を検波できるようになっており、この出力を他方の切換
スイッチ３１へ入力している。この切換スイッチ３１の
４つの出力端子には、それぞれの信号を一時的に記憶す
るメモリ３５Ａ〜３５Ｄが接続されている。そして、こ
れらのメモリの内、メモリ３５Ａと３５Ｃの出力を一方
の差動アンプ３６にて比較することにより、光検出素子
５Ａ、５Ｃの出力差を求め、これを一方のモータ駆動ア
ンプ３７に導入してＹ方向用モータ２４の駆動を制御す
るようになっている。

【００１９】同様にして、他方のメモリ３５Ｂと３５Ｄ
の出力を他方の差動アンプ３８にて比較することによ
り、他方の光検出素子５Ｂ、５Ｄの出力差を求め、これ
を他方のモータ駆動アンプ３９に導入してＸ方向用モー
タ２７の駆動を制御するようになっている。従って、そ
れぞれの対になっている光検出素子の出力差がゼロにな
るように各モータ２４、２７は制御されるように構成さ
れており、これにより、後述するように素子保持基台６
の上面中心Ｏは自動的に光到来方向に向くことになる。

【００２０】次に、以上のように構成された装置の動作
について説明する。まず、具体的動作を説明する前に、
上述のように配置した４つの光検出素子５Ａ〜５Ｄを用
いて光到来方向を検出することができる原理について説
明する。図６は４つの光検出素子の内の１つ、例えば５
Ａを取り出して示しており、図７は図６に示す素子の上
面図を示している。図示するように光検出素子５Ａは、
互いに９０度方向に異なった方向に配置された遮光面１
２、１３、１４により仕切られて、それ以外の方向から
入来する光を遮断するようになっている。

【００２１】この遮光面１２、１３、１４の頂点１５を
通る垂線方向にある天頂４０よりも仰角方向にずれた位
置に光源１が存在するものと仮定する。この光源１を天
頂４０を中心にして３６０度、すなわち１回転した時の
光検出素子５Ａの出力を図８に示している。光検出素子
５Ａが臨んでいる中心方向は９０度の水平方向であり、
この方向を中心として出力がフラット状に高く、両側の
遮光面１２、１３の境界部分に近づくに従って出力が次
第に低下しており、また、境界部分を僅かに越えた部分
においても、光源１が一定の面積を有することや赤外光
の回折現象等に起因して出力が見られ、それ以上境界部
分よりも離れると出力はゼロになる。

【００２２】図９は、上記光検出素子５Ａが臨む中心方
向に沿って、光源１を水平方向から仰角方向に移動さ
せ、天頂４０を通って更に反対側に移動させた状態を示
しており、図１０はその時の光検出素子５Ａの出力を示
している。図示するように、仰角が略４５度の時の出力
が一番大きく、両側に行く程その出力は次第に低下して
おり、遮光面の境界部分を僅かに越えた部分においても
ある程度の出力が存在する。この理由は前述した通りで
ある。

【００２３】さて、図１１に示すようにこのような特性
を有する４つの光検出素子５Ａ〜５Ｄを本発明のように
水平面内において９０度ずつ位置ズレさせて配置し、天
頂４０からずれた位置に光源１を設け、この光源１を天
頂４０を中心として１回転させる。図１２はこの時の状
態を示す上面図であり、図１３はこの時の各光検出素子
５Ａ〜５Ｄの出力を示すグラフである。図１３に示すよ
うに光源１が９０度回転する毎に、各光検出素子５Ａ〜
５Ｄの出力が順々に表われており、隣設された素子間に
おいては、その境界部分の近傍においては、増減方向は
異なるが重なって出力が表われている。すなわち、隣設
された両素子の出力が同じになった時には、その両素子
の中央点を含む垂直面内に光源１が位置することにな
る。

【００２４】図１４は、上記４つの光検出素子５Ａ〜５
Ｄの内、一方の対の素子、例えば光検出素子５Ｂと５Ｄ
を通る方向に沿って光源１を光検出素子５Ｄの方向から
上方に移動させ、天頂４０を通過させた後に更に反対側
に移動させた時の状態を示しており、図１５はその時の
２つの光検出素子５Ｂと５Ｄの出力を示すグラフであ
る。これによれば、移動当初は光検出素子５Ｄより大き
な出力が見られ、天頂４０の通過後は他方の光検出素子
５Ｂからの出力が見られる。そして、上述と同様に境界
部分（９０°）の近傍においては、増減方向は異なるが
重なって出力が表われている。すなわち、両素子５Ｂ、
５Ｄの出力が同じになった時には、両素子５Ｂ、５Ｄの
中間点を通って両素子５Ｂ、５Ｄを結ぶ線分に直交する
垂直面内に光源１が位置することになる。

【００２５】従って、素子保持基台６の中心Ｏに対して
対向して配置された４つの光検出素子５Ａ〜５Ｄの内、
一方の対の素子５Ａと５Ｃとの出力が同じになり、且つ
他方の対の素子５Ｂと５Ｄとの出力が同じになるという
ことは、その時の天頂方向に光源１が存在することを意
味し、換言すれば、上記各素子の出力が同じになるよう
に素子保持基台６が旋回すれば、その時の天頂方向に光
源１が存在することになる。

【００２６】以上のような検出原理に基づいて本発明装
置によれば、光到来方向が検出されることになる。すな
わち、図５に示すように各光検出素子５Ａ〜５Ｄからの
出力は、切換スイッチ３０により順次取り込まれ、バン
ドパスフィルタ３２を経て整流器３３、ローパスフィル
タ３４を通ってそのエンベロープが検波され、更に切換
スイッチ３１を経て対応するメモリ３５Ａ〜３５Ｄに一
時的に記憶される。そして、一対の光検出素子５Ａと５
Ｃの出力が差動アンプ３６にて比較されて、その差分が
モータ駆動アンプ３３を経てＹ方向用パルスモータ２４
を駆動する。また、他方の対の光検出素子５Ｂと５Ｄの
出力は差動アンプ３８にて比較されて、その差分がモー
タ駆動アンプ３９を経てＸ方向用パルスモータ２７を駆
動する。

【００２７】図２において、Ｙ方向用パルスモータ２４
が駆動すると回転フレーム１９がＸ方向水平旋回軸１８
を中心として回動し、両素子５Ａ、５Ｃの出力が同じに
なった位置で回動が停止する。また、Ｘ方向パルスモー
タ２７が駆動すると素子保持基台６がＹ方向水平旋回軸
２１を中心として回動し、両素子５Ｂと５Ｄの出力が同
じになった位置で回動が停止する。従って、この時、素
子保持基台６の上面中心Ｏは、正確に光到来方向を向い
ていることになる。このような回動調整操作は、光通信
が行われている間、継続して行われることになる。

【００２８】このようにして、光到来方向を自動的に、
且つ迅速に行なって、その光軸合わせを行なうことがで
きる。ここで、各モータ２４、２７に例えばエンコーダ
等の回転位置検出器を設けておき、光到来方向を決定し
て光軸合わせを一旦行なったならば、その時のエンコー
ダの値を図示しないメモリに記憶させておくようにして
もよい。これによれば、その後、何らかの理由に光信号
が遮断された場合にあってもそのメモリのデータに基づ
いて光軸合わせをすれば光軸の一致を継続的に維持させ
ることができる。

【００２９】尚、上記実施例における４つの光検出素子
５Ａ〜５Ｄは、四角形状のブロック体よりなる素子保持
基台６の４隅に設けたがこれに限定されず、例えば図１
６に示すようにブロック体形状の素子保持基台６Ａの４
つの各側面の中央部に角度が略９０度の切り込み４１を
入れ、その各底部に光検出素子５Ａ〜５Ｄ（図中、５
Ｂ、５Ｄは背後に位置している）を配置するようにして
もよい。また、素子保持基台６としては四角形状のブロ
ック体に限定されず、例えば図１７に示すように半球状
のブロック体よりなる素子保持基台６Ｂでもよく、いず
れにしても９０度ずつ位置ズレさせて４つの光検出素子
５Ａ〜５Ｄを所定の配置にできるならば、その形状は問
わない。

【００３０】また、図５に示す制御手段の回路構成も単
に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論
である。更には、各光検出素子５Ａ（５Ｂ〜５Ｄ）の取
り付け部も、図４に示すような３面構造に限定されず、
図１８に示すように遮光面１２と１３の接合部分の角部
を切り落とすようにして第４の遮光面４２とし、４面構
成とするようにしてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光到来方
向検出装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮
することができる。素子保持基台に９０度ずつ位置ズレ
させて配置した４つの光検出素子を用いて、これらの対
向する素子間の出力が同じになるように素子保持基台を
回動させることにより、これを自動的に且つ迅速に光到
来方向に向けて光軸を合わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光到来方向検出装置を示す概略構成図
である。

【図２】図１に示す光到来方向検出装置を示す構成図で
ある。

【図３】素子保持基台を示す斜視図である。

【図４】光検出素子の取り付け状態を示す図である。

【図５】光到来方向検出装置の制御手段を示すブロック
構成図である。

【図６】１つの光検出素子を示す斜視図である。

【図７】図６に示す素子の上面図である。

【図８】図６に示す光検出素子に対して光源を１回転さ
せた時の出力を示す図である。

【図９】１つの光検出素子が臨む方向に沿って光源を動
かす状態を示す図である。

【図１０】図９に示すように光源を動かした時の光検出
素子の出力を示す図である。

【図１１】４つの光検出素子を９０度ずつ位置ズレさせ
て配置させた状態で、光源を１回転させる状態を示す図
である。

【図１２】図１１に示す光源の動きに対応して各光検出
素子から出力される出力レベルを示す図である。

【図１３】図１２に示すように光源を回転させた時の各
光検出素子の出力を示す図である。

【図１４】４つの光検出素子の内の一対の光検出素子の
配列方向に沿って光源を動かす時の状態を示す図であ
る。

【図１５】図１４に示す光源を動かした時の、２つの光
検出素子の出力を示す図である。

【図１６】素子保持基台の変形例を示す図である。

【図１７】素子保持基台の他の変形例を示す図である。

【図１８】光検出素子の取り付け状態の変形例を示す図
である。

【図１９】送受信部（光源）と光到来方向検出装置との
一般的な関係を示す図である。

【図２０】図１９に示す検出装置の走査方法を示す図で
ある。

【符号の説明】

４…光到来方向検出装置、５Ａ〜５Ｄ…光検出素子、６
…素子保持基台、７…回転駆動機構、８…制御手段、１
２，１３，１４…遮光面、１８，１９…水平旋回軸、２
４…Ｙ方向用モータ、２７…Ｘ方向用モータ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光信号の到来方向を検出する光到来方向
   検出装置において、水平方向及び仰角方向へそれぞれ略
   ９０度の開き角度で空間を臨むことができるように、各
   光検出素子を遮光面で区画する素子保持基台を有するこ
   とを特徴とする光到来方向検出装置。
2. 【請求項２】 水平方向に延びて互いに直交する２本の
   水平旋回軸に対してそれぞれ回転することにより、前記
   素子保持基台の位置を変更する回転駆動機構と、前記４
   つの光検出素子の出力に基づいて前記回転駆動機構のそ
   れぞれの回転量を制御する制御手段とを備えたことを特
   徴とする請求項１記載の光到来方向検出装置。
3. 【請求項３】 前記４つの光検出素子の内、前記素子保
   持基台の中心に対して対向する位置に配置された２対の
   光検出素子は、それぞれ前記２本の水平旋回軸に沿って
   配置されることを特徴とする請求項１または２記載の光
   到来方向検出装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は、前記４つの光検出素子
   の内、前記素子保持基台の中心に対して対抗して配置さ
   れた光検出素子の出力が同じになるように前記回転駆動
   機構を制御することを特徴とする請求項３記載の光到来
   方向検出装置。